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006
Dernière mise à jour : 23/04/2023Présentation
Le montage présenté ici est un modulateur de lumière 3 voies capable d'allumer des séries de LED de différentes couleurs : rouges pour les fréquences graves, vertes pour les fréquences médiums et bleues pour les fréquences aigues (vous pouvez bien sûr changer les couleurs).
Il dispose d'un réglage de sensibilité général et d'un réglage de sensibilité individuel pour les trois bandes de fréquence. Son alimentation se fait sous 12 V, qui peut provenir d'une batterie de voiture ou d'un bloc secteur quelconque si tant est que tension et courant soient adaptés. La captation du son se fait au choix aux bornes d'un HP ou par microphone intégré, et le filtrage est de type actif.
Avertissement
Ce montage fonctionne en très basse tension (12 V) et le risque de s'électrocuter en touchant le montage nu avec ses doigts est nul. Cependant, pour un usage en voiture ou moto, il convient de porter la plus grande attention au câblage de la source d'alimentation. Si la tension de 12 V en elle-même ne doit pas être trop crainte, le courant que peut fournir une batterie de voiture en cas de court-circuit peut être intense et provoquer un incendie !Schéma
Il ne s'agit certes pas d'un montage ultra-simple, mais vous comprendrez bien qu'il faut un minimum de composants pour obtenir l'effet désiré.
Schéma du 23/04/2023
Ce schéma complet - mais sans l'extension "panneau de LED" présentée plus loin - peut être décomposé en trois parties :
- préamplificateur pour microphone, basé sur U1:A- filtres BF pour aiguillage graves / médiums / aigus (basés sur U1:B, U1:C et U1:D)
- section redressement (diodes D1 à D6 et condensateurs associés) et "puissance" (transistors Q1 à Q3)
Préampli micro
Basé autour de U1:A, il permet d'obtenir un signal BF d'amplitude suffisante pour la suite des opérations. Cet étage apporte un gain non négligeable de +40 dB quand le potentiomètre RV1 est à sa valeur maximale, ce qui correspond à une amplification de rapport 100 (un signal d'entrée d'amplitude 5 mV ressort avec une amplitude de 500 mV).
Comme l'ensemble fonctionne en basse tension unique (non symétrique), une référence de tension égale à la moitié de la tension d'alim est créée grâce au pont diviseur R4 / R5. Cette demi-tension sera également nécessaire pour les filtres, qui eux aussi bénéficieront d'un tel pont diviseur de tension pour les mêmes raisons.
L'alimentation du circuit intégré U1 est découplée par le réseau R24 / C2, qui absorbe les variations de tension liées aux variations de courant quand les LED clignotent. Cette précaution limite le risque de transformer le préampli d'entrée en auto-oscillateur, ce qui rendrait le montage tout simplement inutilisable (le risque d'oscillation parasite est toujours plus grand quand le gain est élevé).
Branchement direct sur HP (sans microphone)
Il est possible de brancher l'entrée du préampli directement sur une sortie amplifiée, en parallèle sur un haut-parleur. Dans une voiture ou tout autre milieu ambiant bruité, il peut en effet être intéressant de faire réagir les lumières uniquement sur la musique et pas sur l'ambiance (bruit d'un moteur ou de gens qui crient à côté - la joie d'un montage qui fonctionne entraîne parfois chez l'humain des comportements étranges).
Les points suivants sont à prendre en compte lors d'un tel raccordement direct :
- si l'alimentation 12 V est commune à la source sonore (autoradio ou ampli) et au modulateur de lumière, il ne faut raccorder qu'un seul fil entre sortie HP et entrée modulateur, c'est celui qui correspond à la sortie "+" du HP. Le point de référence est dans ce cas la masse, commune à tout le monde.
- l'amplitude des signaux BF issus d'une sortie amplifiée sera très certainement trop grande pour attaquer le préampli, il convient donc de l'atténuer suffisement.
- le cavalier JP1 et le microphone doivent être retirés.
Le schéma qui suit résume ces points et montre comment effectuer le câblage sur une sortie HP.
Une résistance (RHP) et deux diodes (D1 et D2) ont été ajoutées pour limiter à des valeurs raisonnables, l'amplitude du signal BF appliqué à l'entrée du préampli micro. Si malgré la présence de ces composants additionnels vous observez encore une trop grande sensibilité, augmentez la valeur de RHP ou ajoutez une résistance de 1 kO en parallèle sur les deux diodes D1 et D2. Une option luxueuse consisterait à ajouter un potentiomètre de 1k en réglage de volume (diviseur de tension) entre RHP et les deux diodes.
Filtres BF
Entre la sortie du préamplificateur microphone et les filtres, des potentiomètres permettent de doser la sensibilité de façon indépendante pour chaque voie (RV2 à RV4).
Les filtres BF sont de type actif et basés sur l'emploi d'AOP d'usage courant (LM324, quatre AOP contenus dans un même boitier 14 broches). Le filtrage est assuré par la mise en place d'un filtre de type double-T (appelé aussi T parallèle) dans la contre-réaction de chaque AOP.
Un filtre de type double-T présente la particularité de laisser passer presque tous les signaux sauf ceux qui tombent dans une plage de fréquence donnée : c'est un filtre réjecteur. Il présente en effet une impédance maximale à une fréquence donnée (qui est la fréquence centrale du filtre) et le taux d'atténuation diminue d'autant plus qu'on s'éloigne de cette fréquence centrale. Le schéma ci-après montre le filtre réjecteur de la voie des aigus, isolé de son AOP U1:B.
Par rapport au schéma général, C5 et R9 ont été "relevés" sur le schéma pour mieux mettre en évidence les deux "T" du filtre (premier "T" composé de R7, R8 et C5, second "T" composé de C3, C4 et R9).
Le but du jeu étant de laisser passer certaines fréquences plus que d'autres (fonction d'un passe-bande) et non au contraire d'en supprimer une partie (fonction réjecteur), on pourrait bien se demander pourquoi utiliser de tels filtres pour notre modulateur. En fait, le filtre n'est pas monté en série avec le signal BF à traiter, mais est monté dans la boucle de contre-réction de l'AOP concerné. Comme l'impédance est maximale à la fréquence centrale, la réaction (de la sortie vers l'entrée de l'AOP) est moindre et l'amplification est donc plus grande. Ce qui au final conduit à filtrer le signal BF selon une courbe exactement inverse (miroir) à celle que l'on a avec le filtre seul (comme montré dans le schéma ci-avant). La courbe de réponse des trois filtres est visible sur le graphe ci-après.
R9, R14 et R19 = 6,8 kO
Il apparait de façon immédiate que les trois voies grave (courbe rouge), médium (courbe verte) et aigu (courbe bleue) sont vraiment très bien séparées (trop ?), le recouvrement entre chaque bande est quasi nul sur une plage dynamique de 20 dB. Cela est lié au comportement type du filtre double-T, dont la bande est très étroite et le taux de "réjection" très fort (on peut modifier ce comportement en jouant sur le rapport des composants, voir un peu plus loin). Résultat visuel : les groupes de LED s'allument vraiment quand un signal BF comporte des signaux dont la fréquence se situe dans la plage concerné du filtre (proche de la fréquence centrale du filtre). Par exemple, un coup de basse autour de 70 Hz ne fera pas s'allumer les LED vertes de la voie médiums, et un cri très aigu de femme ne fera s'allumer que les LED bleues de la voie aigus avec un peu de la voie centrale. Vous pouvez objecter qu'en contrepartie, certaines fréquences qui ne se trouvent dans aucune des trois plages ne feront s'allumer aucune LED, et vous avez raison ! Ce modulateur n'a pas été conçu pour assurer une analyse spectrale en laboratoire et il est heureusement possible d'étaler un peu la largeur de bande de chaque filtre en réduisant la valeur des résistances R9, R14 et R19 (1 kO au lieu de 6,8 kO), La réponse des filtres sera alors proche de celle montrée par les courbes suivantes.
R9, R14 et R19 = 1 kO
Par rapport aux courbes précédentes et si on se base toujours sur la référence "plate" à 20 dB, on constate que la couverture des filtres est plus large sur la "ligne de référence" à +30 dB. Notez bien qu'en même temps, la fréquence centrale des filtre se décale vers le haut du spectre sonore. Pour conserver les plages de fréquence initiales, il convient d'ajuster la valeurs des autres composants du filtre, notamment celle des condensateurs. Par exemple si vous souhaitez abaisser la zone de fonctionnement dans les fréquences grave, vous pouvez adopter une valeur de 390 nF ou 470 nF (au lieu de 220 nF) pour C13 et C14, etadopter une valeur de 820 nF (au lieu de 470 nF) pour C15. Les expérimenttaions sont toujours permises !
Augmentation du nombre de voies
Un internaute m'a demandé si on pouvait ajouter deux ou trois voies aux trois actuelles. La réponse est oui, il suffit de multipler les étages "filtre et sortie puissance", et bien sûr d'ajuster en conséquence la valeur des composants des nouveaux filtres.
Section redressement et "puissance"
Chaque filtre BF restitue sur sa sortie le signal BF d'entrée partiellement débarrassé des composantes fréquencielles qu'il est supposé ignorer. En sortie du filtre le plus en haut du schéma complet (autour de U1:B), on ne trouve que des signaux de fréquence élevée. En sortie du filtre le plus en bas du schéma (autour de U1:D), on ne trouve que des signaux de fréquence basse. Entre les deux et autour de U1:C, à vous de deviner.
A la suite de chaque filtre est placé un redresseur à diode et un filtrage par condensateur, dont le rôle est de fournir une tension continue dont la valeur est d'autant plus élevée que le signal BF en sortie du filtre est d'amplitude élevée. On trouve donc aux bornes du condensateur C7 une tension d'autant plus élevée qu'il y a d'aigus dans le signal sonore, et on trouve aux bornes du condensateur C12 une tension d'autant plus élevée qu'il y a de médiums dans le signal sonore. Idem pour le condensateur C17, qui fait plus parler de lui quand le signal sonore capté est riche en fréquences basses.
Les tensions continues ainsi obtenue sont dirigées vers un banal transistor de commutation, en vu de le rendre conducteur et par là-même d'allumer les LED qu'il comporte dans son circuit de collecteur. Vu le rôle attribué à ces transistors, tout modèle NPN basse puissance basse fréquence convient (BC107/108/109/547/548/549, 2N2222, etc), assurez-vous simplement qu'ils sont en mesure de supporter un courant collecteur (Ic) d'au moins 500 mA et que leur gain en courant (beta) est d'au moins 100.
Extension pour plus de LED
Le schéma montre une seule LED par voie, mais il est possible d'en mettre bien plus. Le nombre de LED en série dans une même branche est limité par la tension d'alimentation (ici de 12 V) et par la tension nominale des LED elles-mêmes. Il est possible de mettre 4 ou 5 LED rouges en série, mais il n'est pas possible d'en mettre autant de bleues car ces dernières présentent une tension nominale plus élevée, généralement comprise entre 3,6 V et 4,0 V.
Avec des LED dont le courant nominal est de 20 mA, vous pouvez sans problème mettre 10 branches de 2 LED pour chacune des trois voies du modulateur de lumière. Cela fait 200 mA en pointe dans chaque branche lorsque les LED s'allument, mais en moyenne le courant est inférieur à 100 mA quand les seuils sont correctement réglés par rapport à l'amplitude de la source audio (il n'y a guère d'intérêt à tout régler trop sensible pour que toutes les LED s'allument tout le temps).
Le schéma qui suit montre une extension possible incluant 3 groupes de 12 LED (soit 36 LED additionnelles au total) raccordées au circuit principal via les points de liaison A1->A2, M1->M2, G1->G2 et +12V->Vled.
Remarque : sur le schéma qui précède, les résistances de limitation de courant en série avec chaque branche de LED sont toutes marquées 100 ohms, mais elles doivent être calculées en fonction de la tension nominale des LED utilisées et de la tension d'alimentation. Si le montage est destiné à rester à la maison, la tension d'alimentation pourra être poussée sans problème à +15 V voire même +18 V, ce qui permettra de placer davantages de LED dans chaque branche.
Alimentation
Le montage peut fonctionner sur batterie 12 V (solution itinérante, avec autoradio comme source sonore principale) ou avec un bloc d'alimentation secteur. Dans le second cas, vous pouvez utiliser une alimentation stabilisée simple comme celle décrite à la page Alim simple 001 ou si vous ne voulez pas vous embêter, opter pour un bloc d'alimentation du commerce. Dans le pire des cas (toutes LED allumées), la consommation totale maximale est grosso-modo égale au courant consommé par l'ensemble des LED. Si vous conservez une seule branche de LED pour chaque voie, la consommation totale n'excedera pas 70 mA. Avec dix branches de LED par voie, l'alimentation devra être en mesure de débiter un courant de 600 mA au moins.
Une protection contre toute inversion accidentelle de polarité peut être ajoutée en insérant une diode de type 1N4007 en série avec le pôle positif de l'alimentation 12 V (anode de la diode côté alimentation secteur ou batterie, et cathode côté modulateur). J'ai prévu cette diode, mais vous pouvez la supprimer. Sachant que tout le courant des LED passe par cette diode, il faudra en tenir compte si vous décidez d'utiliser de gros transistors et des dizaines de branches de LED. A ce sujet, je recommande d'utiliser un nombre réduit de LED haute luminosité, plutôt qu'un grand nombre de LED standard. Vous serez gagnant sur la consommation globale et sur le coût de revient global...
Prototypes
Plusieurs prototypes réalisés par différentes personnes, en plus des miens.Mon premier prototype
Circuit imprimé réalisé selon implantation montrée plus loin.
Le montage fonctionne bien et il est très sensible, mais pour autant il n'est pas au top de sa forme.
N'ayant pas de potentiomètres de 100k en stock, j'ai mis des 470k. En faisant cela, je n'avais pas pensé qu'en réduisant beaucoup la sensibilité d'une voie avec le potentiomètre correspondant, le transistor associé travaillerait plus en régime linéaire qu'en régime bloqué/saturé. Phénomène logique, puisque la limitation du courant de base est plus énergique. Résultat des courses : les LED du panneau d'extension s'allument beaucoup moins fortement quand on baisse la sensibilité, ce n'est pas ce que je voulais.
Correction/adaptation : remplacement des transistors bipolaires classiques 2N2222 par des transistors darlington BC517. Le fonctionnement est plus convaincant avec ces derniers, même avec de faible niveaux d'entrée, grâce à leur très grand gain. C'est mieux, les LED donnent plus d'elles-même. Malgré cela, celles que j'ai utilisées ici ne sont pas du type "très très haute luminosité" et l'effet est tout juste satisfaisant dans la pénombre. Il faut dire aussi que je n'en ai mis que 12 par voie et qu'on peut faire beaucoup mieux (voir proto de Fabien H. un peu plus loin).
Modification à venir : déplacement des trois potentiomètres de réglage G/M/A à l'entrée des filtres (attaque des transistors fixe). Fait avec le second prototype (voir ci-après).
Ce circuit est toutefois fonctionnel et se contente d'une très basse tension d'alimentation, ce qui présente moins de danger entre des mains inexpertes. Mais en toute franchise, je préfère nettement mon modulateur de lumière 003 qui fonctionne avec des lampes 230 V.
Mon second prototype
Circuit imprimé du second prototype réalisé - en attente de réception (22/04/2023).
Prototype de Fabien H.
Réalisé avec 3 groupes de 80 LED chacun.
Vidéo Youtube
Commentaire de Fabien : Modulateur de lumière basé sur votre montage 006 un peu adapté pour mon projet. Il commande 3 x 80 leds et la captation du son utilise votre "Détecteur sonore 004". Merci pour votre générosité dans le partage de votre savoir. Cordialement. Fabien.
Merci Fabien pour vos retours et bravo pour cette belle réalisation qui à n'en pas douter offre un rendu lumineux supérieur à celui de mon prototype (qui comporte un nombre de LED très inférieur) !
Prototype de Thomas C.
Merci aussi à Thomas pour son retour d'expérience, ses commentaires et sa vidéo pour le modulateur réalisé par lui-même, avec l'assistance de son frère Julien C. et de Fabien T.
Vidéo Youtube.
Prototype de Hammami Amin
Réalisé sur plaque d'expérimentation, merci pour la photo !
Dans l'état, fonctionne correctement mais avec un degré de luminosité moindre pour les basses et médiums. J'ai conseillé à son auteur de revoir à la baisse la valeur des résistances série des LED, voir de retirer une LED dans chaque branche ou de rajouter des branches entières de LED si cela ne suffit pas. En faisant bien sûr toujours attention au courant max qui peut circuler dans les LED et qui dépend des modèles choisis. Un autre ajustement possible consiste à élargir un peu la bande passante du filtre, comme proposé de le texte qui précède.
Circuit imprimé (PCB)
Commencé en simple face (en 2010) et terminé en double face (en 2023)... allez y comprendre quelque chose !
PCB du 23/04/2023 - en phase avec le schéma du 23/04/2023
Deux circuits en un :
- un premier circuit imprimé principal pour l'étage d'entrée, pour les trois filtres
- un second circuit imprimé d'extension pour trois groupes de LED raccordés aux points A, M, G et C du circuit principal.
PCB au format PDF - 19/04/2023
Les deux moitiés de circuits imprimés sont de dimensions identiques et peuvent être superposés (même philosophie que celle adoptée pour mon stroboscope à LED 004).
Historique
23/04/2023
- Amélioration du circuit (déplacement des potentiomètres de réglage de
sensibilité pour les trois voies).
- Révision et mise à disposition libre du PCB.
12/02/2023
- Ajout photos de mon prototype.
29/01/2023
- Ajout des résistances R37, R38 et R39. Sans ces
résistances, les transistors Q1 à Q3 peuvent mourrir si les
potentiomètres RV2 à RV4 sont montés à fond et que les LED s'activent
"trop souvent". Mon petit doigt m'a dit
que c'était mieux si on pouvait éviter ce drame.
- Finalisation du dessin de circuit imprimé (PCB).
07/01/2018
- Ajout vidéo prototype de Fabien H., que je remercie pour ses retours.
15/05/2011
- Ajout photo et vidéo du proto de Thomas C., que je remercie pour ses
retours..
31/10/2010
- Ajout photo proto Hammani A., que je remercie pour ses retours.
27/06/2010
- Première mise à disposition